全光多波长时钟提取技术的方案研究

韩丙辰，杨春花，杨成全

(山西大同大学物理与电子科学学院,山西大同 037009）

全光多波长时钟提取技术的方案研究

韩丙辰，杨春花，杨成全

(山西大同大学物理与电子科学学院,山西大同 037009）

介绍了目前几种全光多波长时钟提取的方案，并针对每种研究方案进行了分析，从而为全光多波长时钟提取方案的选择提供一些参考.

光纤通信 全光3R再生 全光时钟提取 多波长

在全光网络中，信号的全光3R再生（Reamplification、Reshaping、Retiming）是一个亟待解决的关键问题.由于色散、WDM信道间的干扰、系统的非线性效应、光源和光放大器的ASE噪声等因素都不可避免的引起网络中信号的恶化，尤其在40Gb／s及以上的超高速光网络中，这种恶化对信号的影响更是不可忽略.未来的光网络动态灵活的特性又决定了信号的传输路径的不确定性，因此对信号的恢复不可能采取固定补偿的方案，而必须对信号进行3R再生.

1 全光3R再生系统简介

全光3R再生系统包括光放大单元、光时钟提取单元和光判决单元，如图1所示.恶化的输入光信号进入3R再生器，光放大单元（Opt.Amplifier）对输入光信号进行幅度放大；光时钟提取单元（Opt.Clock）提取出低抖动、高稳定性的时钟脉冲；光判决单元（Decision Stage）将输入数据信号调制到提取出来的时钟脉冲上，完成再整形和再定时功能，输出再生后的光脉冲.

图1.全光3R再生系统图

2 全光时钟提取技术

时钟提取单元负责从恶化的数据信号中提取出低抖动、高信噪比的时钟脉冲.时钟脉冲的形状和质量直接影响着再生信号的质量.常用的时钟提取方案根据提取的机制可分为电时钟提取、光电混合时钟提取和全光时钟提取三大类.其中，全光时钟提取不需要对信号进行光和电的转换，提高了信号处理的灵活性以及光网络交换的透明性和通用性，成为目前时钟提取单元的研究热点所在.目前全光时钟提取技术主要有以下几种：

锁模技术是时钟提取最常用的技术之一.包括利用非线性光学器件的光纤注入锁模激光器[1]和半导体注入锁模激光器[2]两种.锁模方案的主要优点是工作频率较高.Kawanishi.S报道了利用光纤注入锁模激光器进行了120Gbit／s的光纤系统时钟提取[3].而240GHz的半导体锁模激光器也已经实现[2].

自脉动激光器以其体积小、可集成、工作速率高、时钟建立时间非常快的优点在全光时钟提取中得到了很多应用.Ito.C等人利用三区结构的自脉动DFB激光器进行了10Gb/s的全光时钟提取[4].

基于F-P滤波器提取时钟的方案,具有结构简单、时钟建立时间短的优点,F-P滤波器是无源器件,受非线性影响小.最近有大量的实验采用了这种方案,包括了美国加州大学的Yoo、S.J.B.等人利用F-P滤波器进行10Gb/s的全光帧时钟提取实验[5,6],希腊的 Petrantonakis D利用 F-P滤波器进行的40Gb/s的全光帧时钟提取实验[7],类似的报道还有很多[8］.另外,基于F-P滤波器提取时钟的方案有一个潜在的优势:由于F-P滤波器的通带特性是一个梳状谱,因此从理论上讲可以直接对多波长WDM系统同时进行时钟提取.

3 全光多波长时钟提取方案分析

目前多波长时钟提取的相关文献并不多见,主要有如下几种方案:美国堪萨斯大学研究人员利用色散位移光纤(DSF)中的受激布里渊散射(SBS)效应实现了双波长时钟提取,见图2[9-11].在基于SBS的双波长时钟提取方案中,把实验装置定义为有源布里渊滤波器,其中布里渊增益线宽为20M,而布里渊增益线宽一般由光纤截面的不均匀性决定,虽然文中提到SBS的时钟提取方法允许光信号比特率的差异,但在如此窄的滤波器带宽内进行多波长的同时时钟提取具有很大的局限性;同时由于SBS中固有的泵浦光源失调问题,利用SBS效应进行多波长时钟提取的波长范围与最终得到的时钟抖动成反比例,10Gb/s的多波长时钟提取的波长范围被限制在3nm左右[11],尽管作者也给出了可能的增加时钟提取波长范围的方法,但是很有限,因此利用SBS效应很难实现对WDM系统的多波长时钟同时提取.

图2 基于SBS的双波长提取方案

英国伦敦大学的研究人员则研制了一单片集成的22通道的具有波长选择特性的SOA阵列作为锁模器件,利用注入锁模激光器结构实现了多波长时钟提取见图3[12].在基于SOA阵列的锁模器件为时钟提取单元的方案中,能够实现多波长的时钟提取,但是提取的时钟波长范围由SOA阵列数目决定,事实上波长数目的增长将不可避免地增加SOA阵列的复杂度.美国康宁公司的研究人员则提出了一种利用光参量振荡器实现多波长时钟提取的方案,并实验验证了双波长时钟提取[13],以上几个方案均采用有源器件的非线性效应实现多波长时钟提取,结构比较复杂.

图3 基于SOA阵列的时钟提取方案

芬兰的研究小组提出利用双折射谐振腔和起偏器对20路10Gb/s信号和一路40Gb/s信号进行时钟提取的方案,见图4[14].基于双折射谐振腔的多波长时钟提取方案,实现了20路10Gbit/s信号和1路40Gbit/s信号的同时提取,由双折射谐振腔和偏振控制器构成梳妆滤波器,工作稳定性不高,限制了其应用,因此很难真正应用到多波长时钟提取的方案中.

图4 基于双折射谐振腔的多波长时钟提取方案

墨西哥的研究小组提出利用非线性环形镜提取多路时钟见图5[15]. 在基于非线性环形镜的时钟提取方案,实现了双波长的时钟提取,然而在半导体光纤激光器中使用了两个SOA,对于SOA而言,

图5 基于非线性环形镜的时钟提取方案

当多个信号注入时会引起多种非线性效应,注入四波混频、交叉增益调制、交叉相位调制等,将会严重影响提取时钟的质量,同时当锁模光纤激光器的腔长固定后能够提取时钟的频率将固定,因此很难实现异步时钟提取.

新加坡南洋理工大学的研究人员则在理论上提出了利用无源的F-P滤波器实现多波长时钟提取的可能性[16],而希腊的研究小组提出用F-P滤波器和量子点SOA对多波长帧时钟进行提取的方案,见图6[17].在F-P滤波器和量子点SOA提取时钟的方案中,通过仿真对四波长的信号的时钟提取进行了研究,由F-P滤波器提取多个时钟,然后经量子点SOA进行整形以消除低频噪声.该方案从理论上来讲完全可以实现多波长的时钟提取.基于F-P滤波器的方案具有结构简单的优点,而且从理论上该方案对能够提取的时钟的波长范围无任何限制.

图6 基于F-P滤波器的时钟提取方案

4 结束语

通过前面的方案比较可知,尽管研究者们已经提出了多种针对全光多波长时钟提取的方案,每种方案都具有独特的优缺点,但是采用有源器件作为时钟提取单元,结构将过于复杂.而基于无源的F-P滤波器的多波长时钟提取方案将会是一种极具潜力的多波长时钟提取方案.

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[16]Zhou Xiang,C hao Lu,Ping Shum,et al.A Performance Analysis of an All-Optical Clock Extraction Circuit Based on Fabry-Perot Filter[J].JLightwave Technol,2001，19(5):603－613.

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Research on A ll-optical M ulti-wavelength C lock R ecovery T echnology

HAN Bing-chen,YANG Chun-hua,Y ANG Cheng-quan
(School of Physics and Electronic Science,ShanxiDatong University,Datong Shanxi,037009)

Several schemes of all-opticalmulti-wavelength clock recovery are introduced,and every research scheme is analyzed,so some reference for choosing all-opticalmulti-wavelength clock recovery is provided.

optical fiber communication；all-optical 3R;all-optical clock recovery；multi－wavelength

TN 915

A

〔编辑 李海〕

1674－0874（2010）02－0025－04

2009-09-26

山西大同大学青年项目[2008Q10]

韩丙辰（1976-）,男,山西侯马人,博士,讲师,研究方向:光纤通信和高速光信号处理.